Amplification paramétrique d`une impulsion à dérive de fréquence

INTERACTION LASER-MATIÈRE
Amplification paramétrique
d'une impulsion à dérive de
fréquence dans une fibre optique
La technique OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) est un procédé
d’amplification employé dans le domaine des lasers de puissance qui permet d’obtenir des
impulsions ultracourtes avec un bruit optique réduit. Nous avons démontré la possibilité de
remplacer les cristaux massifs, habituellement utilisés dans cette technique, par des fibres
optiques. Une étape importante a été tout d’abord franchie à la longueur d’onde télécom de
1,55 µm avec la première démonstration expérimentale d’OPCPA dans une fibre. La technologie
des fibres microstructurées a ensuite permis d’adapter cette méthode à la longueur d’onde des
chaînes laser de puissance. Ce travail représente un grand pas en avant vers la réalisation de
systèmes modulaires fibrés pour les pilotes de chaînes laser de puissance.
E. Hugonnot • D. Bigourd • L. Lago CEA - Cesta
A. Mussot • A. Kudlinski • M. Douay IRCICA, FR CNRS 3024, Laboratoire de Physique des Lasers,
Atomes et Molécules (PhLAM), UMR 8523 CNRS - Université Lille 1
A
fin d’obtenir des impulsions lasers ultracourtes de forte puissance, les laseristes
utilisent un schéma d’amplification d’impulsions à dérive en fréquence. Un système étireur,
basé sur la dispersion spectrale, permet d’allonger
temporellement une impulsion ultracourte, réduisant ainsi sa puissance crête tout en conservant
son énergie. Ceci permet ensuite de l’amplifier à
des niveaux d’énergie qu’il n’aurait pas été possible
d’atteindre sans étirement. Une fois amplifiée, elle
est recomprimée à sa durée initiale. C’est grâce
à cette méthode que des projets de laser ultrahaute intensité (UHI) comme PETAL, développé
au CESTA peuvent viser des densités de puissance
de l’ordre de 1021 W/cm2. À de tels niveaux, le bruit
optique présent devant l’impulsion peut devenir
problématique pour les expériences d’interaction
laser-matière car il risque d’ioniser la cible avant
l’arrivée de l’impulsion principale. Dans le but
de s’en affranchir du mieux possible, la méthode
d’amplification préférée actuellement pour les
lasers UHI est l’amplification paramétrique optique
(OPA). Elle est basée sur un mécanisme de mélange
d’ondes qui se produit dans des cristaux possédant
une non-linéarité du second ordre. En respectant
des conditions d’accord de phase entre les ondes,
on peut notamment obtenir un transfert d’énergie entre un faisceau monochromatique de forte
énergie (pompe) et le faisceau à spectre large et
à dérive en fréquence que l’on cherche à amplifier
(signal). Cette amplification paramétrique optique
d’impulsion à dérive en fréquence (OPCPA) est très
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avantageuse car, du fait de l’absence de stockage
d’énergie dans le milieu, il n’y a pas de bruit généré
hors du domaine temporel de superposition des
impulsions pompe et signal.
Dans l’objectif d’améliorer la compacité, la stabilité et la maintenance des systèmes OPCPA actuels,
nous avons récemment démontré la possibilité de
remplacer les cristaux non linéaires par des fibres
optiques en silice. Ce matériau ne présentant pas
de manière naturelle de non-linéarité d’ordre 2, le
transfert d’énergie doit donc être effectué en utilisant la non-linéarité d’ordre 3 et un mélange à 4
ondes. L’utilisation de ces amplificateurs fibrés dans
le cadre de l’amplification d’impulsions à dérive
de fréquence (FOPCPA) avait été théoriquement
suggérée en 2006, mais en fait aucune démonstration expérimentale n’avait encore été réalisée [1].
Profitant de la disponibilité de composants télécoms
standards et d’une fibre commerciale hautement
non linéaire, nous avons tout d’abord réalisé une
démonstration de principe à la longueur d’onde de
1,55 µm [2]. Dans cette expérience, une impulsion
longue de quelques picosecondes a été amplifiée
de près de 25 décibels sans que ses caractéristiques
spectrales ne soient affectées. Encouragés par ces
résultats, nous avons ensuite étendu la technique
dans le régime femtoseconde (1 fs = 10-15 s) et aux
alentours de 1 µm [3]. Cette bande spectrale est en
effet la fenêtre de prédilection des chaînes laser de
puissance.
Le système expérimental est présenté sur la
figure 1. Il est composé d’une partie pompe entiè-
C h o cs A v ancées 2 0 1 0 / ava n c é es scie n tifiq u es et tec h n iq u es de la D i r ecti o n des applicati o n s militai r es­­
EOM
YDFA
YDFA
Filtre
Filtre
TL
Fibre microstructurée
PC
OSA
50/50
Réseau
Réseau
10mm
Réseau
Oscillateur
200 fs
Compresseur
Étireur
Figure 1. Système expérimental.
TL : laser accordable, EOM : modulateur électro-optique, YDFA : amplificateur fibré dopé Ytterbium,
PC : contrôleur de polarisation, OSA : analyseur de spectre optique.
rement fibrée qui délivre des impulsions de forme
temporelle carrée de largeur 10 ns et d’une partie
signal délivrant des impulsions de largeur spectrale
16 nm à 1 053 nm étirées à près de 10 ns par un
système dispersif à réseau de diffraction. Les deux
faisceaux sont synchronisés et sont envoyés dans
une fibre optique microstructurée de 400 m de long
dont la dispersion est soigneusement contrôlée
pour respecter la condition d’accord de phase entre
les différentes ondes. En jouant sur la longueur
d’onde et la puissance de pompe, il est alors
possible d’optimiser l’amplification. La figure 2
présente ainsi le spectre optique obtenu après
amplification en sortie de fibre microstructurée.
On peut voir le signal amplifié, le résidu de pompe
et l’onde complémentaire (idler) générée pendant
l’interaction. Un gain supérieur à 30 dB est obtenu
sur plus de 8 nm de spectre. La phase spectrale
étant conservée durant l’amplification, l’impulsion
amplifiée a été recomprimée à une durée de 660 fs.
Ces résultats innovants montrent clairement que
la technique OPCPA peut être étendue au domaine
des fibres. À terme, ces dispositifs fibrés pourraient
avantageusement intégrer des chaînes d’amplification hybrides (amplificateurs massifs et fibrés) où
les premiers étages seraient complètement intégrés
afin d’en simplifier l’utilisation.
-40
Unités relatives (dB)
-50
Figure 2.
Spectre optique
mesuré en
sortie de fibre
microstructurée.
Pompe
Signal
Idler
Références
[1] M. HANNA et al., “Fiber optical parametric chirped-pulse
amplification in the femtosecond regime”, Opt. Exp., 14(7),
p. 2783-2790 (2006).
-60
-70
[2] C. CAUCHETEUR et al., “Experimental demonstration of
optical parametric chirped pulse amplification in optical fiber”,
Opt. Lett., 35(11), p. 1786-1788 (2010).
-80
-90
1040
1050
1060
1070
Longueur d'onde (nm)
1080
1090
[3] D. Bigourd et al., “High gain optical parametric
chirped pulse amplification of femtosecond pulses at 1 mm
in a microstructured optical fiber”, Opt. Lett., 35(20),
p. 3480-3482 (2010).
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